RU2240627C1 - Cold-cathode ion source - Google Patents

Cold-cathode ion source Download PDF

Info

Publication number
RU2240627C1
RU2240627C1 RU2003116203/28A RU2003116203A RU2240627C1 RU 2240627 C1 RU2240627 C1 RU 2240627C1 RU 2003116203/28 A RU2003116203/28 A RU 2003116203/28A RU 2003116203 A RU2003116203 A RU 2003116203A RU 2240627 C1 RU2240627 C1 RU 2240627C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
plasma
cathode
grid
ion source
Prior art date
Application number
RU2003116203/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2003116203A (en
Inventor
Н.В. Гаврилов (RU)
Н.В. Гаврилов
А.С. Каменецких (RU)
А.С. Каменецких
Original Assignee
Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук filed Critical Институт электрофизики Уральского отделения Российской академии наук
Priority to RU2003116203/28A priority Critical patent/RU2240627C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2240627C1 publication Critical patent/RU2240627C1/en
Publication of RU2003116203A publication Critical patent/RU2003116203A/en

Links

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: plasma and high-power ion beam generation.
SUBSTANCE: ion source has hollow cathode, igniter electrode, anode grid disposed opposite output aperture of hollow cathode, screen grid electrically connected to anode grid, and main hollow anode with magnetic system mounted on its surface. Gas is admitted to cathode space. Voltage applied between cathode and igniter electrode strikes glow discharge, electrons from its plasma run through anode grid, arrive at main anode space, and are additionally accelerated due to potential difference applied between grid and main anode. Peripheral magnetic field holds injected electrons in main anode space thereby affording generation of dense and uniform plasma in space free from magnetic field. Ions are taken off plasma through holes in screen electrode.
EFFECT: enhanced efficiency at high uniformity of emitting plasma, simplified design, enhanced reliability and service life of ion source.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике получения плазмы и генерации ионных пучков с большим током.The invention relates to techniques for plasma production and generation of high current ion beams.

Известны источники ионов, в которых плазма генерируется в анодной полости, на поверхности которой установлены ряды постоянных магнитов с переменной полярностью для создания многополюсного магнитного поля. Такое поле максимально у поверхности анода и быстро спадает по направлению к центру системы, что обеспечивает удержание быстрых электронов в плазме и генерацию однородной малошумящей плазмы в свободном от магнитного поля объеме анодной полости. В таких источниках корзиночного типа обычно используется накаливаемый катод [1], недостатком которого является ограниченный срок при работе с химически активными газами. Известны ионные источники, в которых используется плазменный катод на основе микроволнового [2] или радиочастотного [3] разрядов, что обеспечивает увеличение ресурса, но существенно усложняет и удорожает ионный источник.Ion sources are known in which plasma is generated in the anode cavity, on the surface of which there are rows of permanent magnets with variable polarity to create a multipolar magnetic field. Such a field is maximally near the surface of the anode and rapidly decreases toward the center of the system, which ensures the retention of fast electrons in the plasma and the generation of a homogeneous low-noise plasma in the volume of the anode cavity free from the magnetic field. In such basket-type sources, a heated cathode is usually used [1], the disadvantage of which is a limited time when working with chemically active gases. Ion sources are known in which a plasma cathode based on microwave [2] or radio frequency [3] discharges is used, which provides an increase in resource, but significantly complicates and increases the cost of an ion source.

Известен источник ионов, основанный на инжекции электронов из плазмы тлеющего разряда через затянутое мелкоструктурной сеткой малое отверстие в полость генератора плазмы, в которой установлен основной тонкопроволочный анод [4]. В полости генератора в результате ионизации газа инжектируемыми электронами развивается несамостоятельный тлеющий разряд с полым катодом, из плазмы которого извлекаются ионы. Такой разряд с осциллирующими внутри катодной полости быстрыми электронами способен обеспечивать генерацию однородной плазмы при очень низких давлениях газа, однако создаваемые в генераторе плазмы ионы примерно равномерно распределяются по поверхности катода несамостоятельного разряда, поэтому доля извлекаемых из плазмы ионов невелика и составляет около 4% от тока разряда. В результате эффективность такого простого, надежного и имеющего высокий ресурс ионного источника оказывается невысокой.A known ion source based on the injection of electrons from a glow discharge plasma through a small hole tightened by a fine-structure grid into the cavity of a plasma generator in which the main thin-wire anode is installed [4]. A non-self-contained glow discharge with a hollow cathode develops in the cavity of the generator as a result of gas ionization by injected electrons, from which ions are extracted from the plasma. Such a discharge with fast electrons oscillating inside the cathode cavity is capable of generating a uniform plasma at very low gas pressures, however, the ions generated in the plasma generator are approximately uniformly distributed over the surface of the non-self-sustaining cathode, so the fraction of ions extracted from the plasma is small and amounts to about 4% of the discharge current . As a result, the efficiency of such a simple, reliable, and high-resource ion source is low.

Задачей изобретения является увеличение эффективности ионного источника при сохранении высокой однородности эмитирующей плазмы, простоты, надежности и высокого ресурса ионного источника. Для этого в источнике ионов, содержащем плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив выходного отверстия полого катода, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного анода, основной анод выполняется в форме полого электрода, снаружи которого устанавливается система магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля.The objective of the invention is to increase the efficiency of the ion source while maintaining high uniformity of the emitting plasma, simplicity, reliability and high resource ion source. To do this, in an ion source containing a plasma cathode, the electrode system of which includes a hollow cathode of a glow discharge, a firing electrode and a fine-structure anode grid mounted opposite the outlet of the hollow cathode, and a plasma generator including an main anode and a screen grid with holes for extracting ions, electrically connected to the anode grid and being at a negative potential relative to the main anode, the main anode is in the form of a hollow electrode, from the outside of which is installed magnet system for generating a multipole peripheral magnetic field.

Сущность изобретения: плазменный катод ионного источника содержит полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и анодную сетку, установленную напротив выходной апертуры полого катода. Генератор плазмы источника ионов содержит экранную сетку, электрически соединенную с анодной сеткой, и основной полый анод, на поверхности которого установлена магнитная система, создающая многополюсное магнитное поле. В катодную полость напускается газ и при приложении напряжения между катодом и поджигающим электродом зажигается тлеющий разряд, ток которого через выходную апертуру катода замыкается на анодную и экранную сетки. При подаче положительного относительно сеток потенциала на основной анод электроны, инжектированные в полость генератора плазмы, приобретают энергию, достаточную для ионизации газа. С ростом разности потенциалов между основным анодом и сетками увеличивается ток инжектируемых из катодной полости электронов и растет их ионизирующая способность, в результате в полости основного анода генерируется плотная плазма. Периферийное поле, создаваемое постоянными магнитами, отражает быстрые электроны, обеспечивая их эффективную энергетическую релаксацию в плазме и генерацию однородной плазмы в свободном от магнитного поля пространстве полости. Ионы извлекаются из плазмы через отверстия в экранном электроде полем слоя пространственного заряда или полем ускоряющего промежутка ионной оптики, в случае, если необходимо ускорение ионов до более высоких энергий.The inventive plasma cathode of an ion source contains a hollow glow-discharge cathode, a firing electrode and an anode grid mounted opposite the hollow cathode output aperture. The ion source plasma generator contains a screen grid electrically connected to the anode grid, and a main hollow anode, on the surface of which a magnetic system is installed, which creates a multipolar magnetic field. Gas is introduced into the cathode cavity and, when voltage is applied between the cathode and the ignition electrode, a glow discharge is ignited, the current of which is closed through the output aperture of the cathode to the anode and screen grids. When a potential is positive with respect to the grids to the main anode, the electrons injected into the cavity of the plasma generator acquire enough energy to ionize the gas. As the potential difference between the main anode and the grids grows, the current of electrons injected from the cathode cavity increases and their ionizing ability increases, as a result, a dense plasma is generated in the cavity of the main anode. The peripheral field created by permanent magnets reflects fast electrons, ensuring their effective energy relaxation in the plasma and the generation of a uniform plasma in the cavity space free from the magnetic field. Ions are extracted from the plasma through the openings in the screen electrode by the field of a space charge layer or by the field of the accelerating gap of ion optics, in case it is necessary to accelerate ions to higher energies.

В предложенной конструкции ионного источника электронная эмиссия обеспечивается холодным полым катодом, ресурс которого определяется ионным распылением, зависит от площади рабочей поверхности и массы катода и может быть при необходимости увеличен до значений ≥103 ч. Поскольку весь ток ионов, создаваемых в генераторе плазмы, собирается поверхностью экранной сетки, это позволяет достичь высоких значений энергетической эффективности ионного источника.In the proposed design of the ion source, electron emission is provided by a cold hollow cathode, the resource of which is determined by ion sputtering, depends on the area of the working surface and the mass of the cathode and, if necessary, can be increased to values ≥10 3 hours. Since the entire current of ions generated in the plasma generator is collected surface of the screen mesh, this allows you to achieve high values of the energy efficiency of the ion source.

На чертеже представлен предложенный плазменный эмиттер ионов. Ионный источник состоит из плазменного катода и генератора плазмы. Электродная система плазменного катода содержит полый катод тлеющего разряда 1, поджигающий электрод 2 и анодную сетку плазменного катода 3, генератор плазмы содержит полый основной анод 5 и экранную сетку 4, которая электрически соединена с анодной сеткой 3. На поверхности основного анода 5 установлена магнитная система 6.The drawing shows the proposed plasma ion emitter. The ion source consists of a plasma cathode and a plasma generator. The plasma cathode electrode system contains a hollow cathode of a glow discharge 1, an ignition electrode 2 and an anode grid of a plasma cathode 3, a plasma generator contains a hollow main anode 5 and a screen grid 4, which is electrically connected to the anode grid 3. A magnetic system 6 is mounted on the surface of the main anode 5 .

Ионный источник работает следующим образом.The ion source works as follows.

В катодную полость напускается газ. Между катодом 1, поджигающим электродом 2 и анодной сеткой 3 прикладываются напряжения и зажигается тлеющий разряд. Ток разряда замыкается через выходную апертуру полого катода на анодную сетку 3, причем часть электронов поступает в полость основного анода 5 и уходит на экранную сетку 4. При подаче на основной анод 5 положительного относительно сеток 3 и 4 потенциала электроны, инжектированные в полость генератора плазмы, приобретают дополнительную энергию и начинают ионизовать газ. В результате в полости генерируется плотная плазма, из которой через отверстия в экранном электроде извлекаются ионы.Gas is introduced into the cathode cavity. Between the cathode 1, the ignition electrode 2 and the anode grid 3, voltages are applied and a glow discharge is ignited. The discharge current closes through the output aperture of the hollow cathode to the anode grid 3, and some of the electrons enter the cavity of the main anode 5 and go to the screen grid 4. When the potential is positive relative to the grids 3 and 4, the electrons injected into the cavity of the plasma generator acquire additional energy and begin to ionize the gas. As a result, a dense plasma is generated in the cavity, from which ions are extracted through the holes in the screen electrode.

Испытания опытного образца плазменного эмиттера ионов проводились с использованием электродной системы, длина и диаметр полого катода которой были равны и составляли 130 мм, диаметр полого основного анода составлял 130 мм, длина равнялась 100 мм. Диаметр выходной апертуры полого катода составлял 10 мм. Индукция магнитного поля на полюсах магнитной системы составляла 0,1 Тл. Поток аргона, напускавшегося в катодную полость, составлял 20 см3/мин. Ток разряда в непрерывном режиме горения разряда достигал 1 А, напряжение горения разряда составляло около 400-500 В. Неравномерность распределения плотности ионного тока по поверхности экранной сетки, оцененная зондовым методом по величине тока насыщения ионов из плазмы, не превышала 10% на диаметре 80 мм. Ток ионов на экранную сетку составил 250 мА при токе плазменного катода 600 мА и отрицательном напряжении на сетке 200 В. Соответственно, эффективность разряда, оцененная исходя из величины ионного тока на экранную сетку в области однородной плазмы, составила около 0,5-0,7 А/кВт, энергетическая эффективность источника с учетом прозрачности экранной сетки примерно вдвое ниже. Расчетные значения эффективности, полученные с учетом потерь мощности в плазменном катоде, по величине сопоставимы с характерными значениями эффективности для технологических источников широких пучков на основе термокатодов, если при расчете эффективности последних учитывать энергетические затраты на нагрев катодов.Tests of a prototype plasma ion emitter were carried out using an electrode system, the length and diameter of the hollow cathode of which were equal to 130 mm, the diameter of the hollow main anode was 130 mm, and the length was 100 mm. The diameter of the exit aperture of the hollow cathode was 10 mm. The magnetic field induction at the poles of the magnetic system was 0.1 T. The flow of argon entering the cathode cavity was 20 cm 3 / min. The discharge current in the continuous mode of burning the discharge reached 1 A, the voltage of the burning discharge was about 400-500 V. The uneven distribution of the ion current density over the surface of the screen grid, estimated by the probe method by the value of the saturation current of ions from the plasma, did not exceed 10% on a diameter of 80 mm . The ion current to the screen grid was 250 mA at a plasma cathode current of 600 mA and the negative voltage at the grid of 200 V. Accordingly, the discharge efficiency, estimated based on the value of the ion current to the screen grid in the region of a uniform plasma, was about 0.5-0.7 A / kW, the energy efficiency of the source, taking into account the transparency of the screen mesh, is about half as low. The calculated values of the efficiency, taking into account the power losses in the plasma cathode, are comparable in magnitude with the characteristic values of the efficiency for technological sources of wide beams based on thermal cathodes, if the energy costs of heating the cathodes are taken into account when calculating the efficiency of the latter.

Простота и надежность предлагаемого источника ионов позволяет эффективно использовать его в ионно-лучевых технологиях, в частности, основанных на использовании пучков химически активных газов. Повышение эффективности извлечения тонов обеспечит уменьшение удельных энергетических затрат и снижение тепловой нагрузки на электроды. В результате существенно улучшатся функциональные и эксплуатационные характеристики ионных источников.The simplicity and reliability of the proposed ion source allows its efficient use in ion-beam technologies, in particular, based on the use of chemically active gas beams. Increasing the efficiency of tone extraction will reduce the specific energy costs and reduce the thermal load on the electrodes. As a result, the functional and operational characteristics of ion sources will significantly improve.

Источники информацииSources of information

1. Н.R.Kaufman, J.J.Cuomo, and J. M.E.Harper, J.Vac. Sci. Technol. 21, 725 (1982).1. H. R. Kaufman, J. J. J. Cuomo, and J. M. E. Harper, J. Vac. Sci. Technol. 21, 725 (1982).

2. Y.Oka, T.Shoji, Т.Kuroda, О.Kaneko, and A.Ando, Rev. Sci. Instrum. 61, 1256 (1990).2. Y. Oka, T. Shoji, T. Kuroda, O. Kaneko, and A. Ando, Rev. Sci. Instrum. 61, 1256 (1990).

3. Y.Hakamata, T.Iga, К.Natsui, and T.Sato, Nucl. Instrum. Methods В 37/38, 143(1989).3. Y. Hakamata, T. Iga, K. Natsui, and T. Sato, Nucl. Instrum. Methods B 37/38, 143 (1989).

4. E.Oks, A.Vizir, and G.Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).4. E. Oks, A. Vizir, and G. Yushkov, Rev. Sci. Instrum. 69, 853 (1998).

Claims (1)

Ионный источник с холодным катодом, содержащий плазменный катод, электродная система которого включает полый катод тлеющего разряда, поджигающий электрод и мелкоструктурную анодную сетку, установленную напротив выходного отверстия полого катода, и генератор плазмы, включающий основной анод и экранную сетку с отверстиями для извлечения ионов, электрически соединенную с анодной сеткой и находящуюся под отрицательным потенциалом относительно основного анода, отличающийся тем, что основной анод имеет форму полого электрода, на поверхности которого установлена система магнитов для формирования многополюсного периферийного магнитного поля.An ion source with a cold cathode, containing a plasma cathode, the electrode system of which includes a hollow glow-discharge cathode, a firing electrode and a fine-grained anode grid mounted opposite the hollow cathode outlet, and a plasma generator including a main anode and a screen grid with holes for extracting ions, electrically connected to the anode grid and at a negative potential relative to the main anode, characterized in that the main anode is in the form of a hollow electrode, on the surface ti is established system of magnets for generating a multipole peripheral magnetic field.
RU2003116203/28A 2003-06-02 2003-06-02 Cold-cathode ion source RU2240627C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003116203/28A RU2240627C1 (en) 2003-06-02 2003-06-02 Cold-cathode ion source

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2003116203/28A RU2240627C1 (en) 2003-06-02 2003-06-02 Cold-cathode ion source

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2240627C1 true RU2240627C1 (en) 2004-11-20
RU2003116203A RU2003116203A (en) 2004-12-20

Family

ID=34310933

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2003116203/28A RU2240627C1 (en) 2003-06-02 2003-06-02 Cold-cathode ion source

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2240627C1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620603C2 (en) * 2015-09-08 2017-05-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) Method of plasma ion working source and plasma ion source
RU2621283C2 (en) * 2015-09-08 2017-06-01 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) Method for carrying out glow discharge and device for its implementation
CN107062305A (en) * 2017-05-10 2017-08-18 哈尔滨工程大学 A kind of magnetic field-intensification is oriented to plasma ignition nozzle
RU2759425C1 (en) * 2020-11-27 2021-11-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Plasma emitter of a pulse forevacuum electron source based on an arc discharge

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ГАВРИЛОВ Н.В. и др. Генерация однородной плазмы в тлеющем разряде с полым анодом и широкоапертурным полым катодом. Письма в ЖТФ. - 1999, т.25, вып.12, с.83-88. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2620603C2 (en) * 2015-09-08 2017-05-29 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) Method of plasma ion working source and plasma ion source
RU2621283C2 (en) * 2015-09-08 2017-06-01 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) Method for carrying out glow discharge and device for its implementation
CN107062305A (en) * 2017-05-10 2017-08-18 哈尔滨工程大学 A kind of magnetic field-intensification is oriented to plasma ignition nozzle
RU2759425C1 (en) * 2020-11-27 2021-11-12 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники» Plasma emitter of a pulse forevacuum electron source based on an arc discharge

Similar Documents

Publication Publication Date Title
SE9704607D0 (en) A method and apparatus for magnetically enhanced sputtering
Stirling et al. Magnetic multipole line‐cusp plasma generator for neutral beam injectors
RU2240627C1 (en) Cold-cathode ion source
RU2299489C1 (en) Cold-cathode ion source
Lejeune Theoretical and experimental study of the duoplasmatron ion source: Part II: Emisive properties of the source
Gavrilov et al. Glow-discharge-driven bucket ion source
Bashkeev et al. Continuously operated negative ion surface plasma source
Ehlers et al. Increasing the efficiency of a multicusp ion source
JPH10275566A (en) Ion source
RU2035789C1 (en) Process of generation of beam of accelerated particles in technological vacuum chamber
Takanashi et al. Cesium injection into a large rf‐driven hydrogen negative‐ion source
Gavrilov et al. Ion-Emission Properties of a Plasma in a Gaseous-Ion Source with a Plasma Cathode.
RU158216U1 (en) SOURCE OF FAST NEUTRAL PARTICLES
RU2294578C1 (en) Ribbon plasma ion emitter
RU2370848C1 (en) Source of wide-aperture ion beams
Yushkov et al. Formation of multicharged metal ions in vacuum arc plasma heated by gyrotron radiation
RU170029U1 (en) DEVICE FOR CREATING A METAL PLASMA FLOW
Jacquot et al. Negative ion production in large volume source with small deposition of cesium
Leung et al. A high charge state multicusp ion source
RU2035790C1 (en) Hollow cathode of plasma emitter of ions
RU2383079C1 (en) Electron beam generation method and device for realising said method (versions)
Debolt et al. Recent results from the low inductance Z-discharge metal vapor ion source
Gavrilov et al. Characteristics of an ion source with a plasma cathode and a multipole magnetic system for confining fast electrons
Lee et al. Development of ion sources for ion projection lithography
RU2067784C1 (en) Ion source

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20150603